Популярные цифровые микросхемы (944146), страница 32
Текст из файла (страница 32)
Первые попытки выпускать серии простых полевых элементов, сходных по схеме с РТЛ (см, рве. 1.1, з), к успеху не привели. Логические элементы получалвсь крайне медленнодействующими, поскольку внутреннее сопротивление канала у полевого транзистора на порядок больше, чем сопротивление между коллектором и змвттером насыщенного биполярного транзистора.
Однополярвые микросхемы МОП це отличалнсь ни помехоустойчивостью, ни малой потребляемой мощностью. Хо. рошие результаты дало применение двуполярного инвертора, построенного на комплементарной полевой паре. 2.!. УСТРОЙСТВО И СВОИСТВА ЛОГИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА КМОП На рис, 2.1, а показано условно поперечное сечение р-канального полевого транзистора НТ!, к которому подключен управляющий переключатель З1, подано напряжение питания Еа з и првсоедш<ен резистор нагрузки стока Е,, Транзистор УТ! имеет объем кремния с электронной проводимостью. Этот объем называется п.подложка. Методом а) Рис. 2,1. Вклгочение р-канального МОП-транзнстора (а) н схема (б) для снятия его передаточной характеристики (в) диффузии в объеме сделаны две области с повышенной концентрацией положительных носителей — дырок.
Это области истока И и стока С с проводимостью р+, Знак «+» означает повышенную концентрацию носителей, Чем запас носителей больше, тем болыпе может быть плотность тока в канале и тем аначнтельпее крутизна полевого транзистора. На поверхности п-подложки (зто левая вертикальная плоскость на рис. 2.!,а) создают спецвальным окислением поверхности кремния высококачественный свой кварцевого стекла БгОэ Толщина этого слоя около 1 мкм. Поверх слоя $!От напыляется металл †алюмин. Если трав. зистор УТ1 в схему ие включен, его ноток не связан со стоком электрическв, так как между этими областями рч находнтсн п-кремний подложки. 194 Подложку П надо присоединить к самой положительной по потенциалу точке схемы, в данном случае зто провол Б»».
Исток также присоединяем к этому проводу. Из области истока положительные носители р теперь могут уходить в канал к отрицательному полюсу пвтанпя— 13...если к нему присоединить электрод истока И. В этом транзисторе канал создается методом электростатической индукции. Канал проводимости наведется, когда через переключатель 51 присоединим затвор 3 транзистора УТ1 к низкому входному уровгпо Н. На затворе относительно подложки скопится отрицательный заряд, на поверхности полупроводника — положительный, Нетрудно вкдетгь что в этом случае области р» замкнуты положительными носителями, поэтому через канал 3)Т! и резистор нагрузки В« течет ток стока 1с,а на выходе имеется высокий уровень напряжения Б,я,=П,м„.
Такам образом т! получилась условная схема полевого элемента РТЛ. Входного тока затвора здесь нет, поэтому резвстор ограничения тока затвора (аналог 3(в, рвс. 1,1, а) не требуется. Выходное напряжение высокого уровня ()вмх = Пя и Вс(Р«+ Дн) (2. 1) здесь несколько меньше, чем напряжение (3» „ поскольку внутреннее сопротивление канала 3(, составляет 1 кОм,.! 0 кОм и более. Для примера, пусть 31»=!00 кОм и Я«=10 кОм. При Ем»=10 В получим (3'м»=9,1 В. Чтобы канал проводимости исчез и цевь выходного тока 1, разомкнулась, следует движок 5! перевестн н положение высокого входного уровня В. Тогда на «конденсаторе» затвор — подложка напряжения нет (13,,=0) н положительные носители в канале не индуцвруются.
На выходе логического элемента О»я О, точнее: через К«выходной провод элемента присоединен к нулевому проводу питания (т, е. к «земле»). Если 51 заменить потенцнометром Я (см. рис. 2.1, б), можно снять передаточную переходную характеристику р-канального ключа (рис. 2.1, в). Постепенно уменьшая напряжение на затворе относительно истока ()эм до нуля, можем обнаружить, что выходное нанряженне такяге начнет уменьшаться и канал проводимости исчезнет при пороговой раз. ности потенциалов !3з,! — — ()» . Для первых полевых транзисторов !3„» — »ор превышало 4...5 В, поэтому для надежного различения уровня 0 (т е. низкого порогового уровня 4...5 В) и уровня 1 приходилось выбирать О,,= 15...30 В, что было непрактично.
Пороговое наприжснне открывания оказывается тем меньше, чем выше степень легированвя канала н чище поверхность кремния под изоляцией. Этим начальным напряженнем нейтрализуются, как бы «разгоняются», паразитные заряды, скапливающиеся на загрязнениях идефек. тах поверхности. Для специальных особо низковольтных полевых транзисторов, предназначенных для микросхем, работающих от одного гальванического элемента с напряжением 1,5 В, пороговое напряжение технолога снижают до 0,2 ...
0,3 В. Вернемся к характеристике (рис. 2.!, в). Наклонная часть ее соот. ветствует усилительному режиму полевого транзистора. Действительно, здесь приращением входного сигнала !3»»=13зиуменьшается выходное напряжение между стоком и истоком П»м» ()пм. Коэффициент усиления (т. е. наклон характеристики); ('с. (2.2) Учтем, что крутизна полевого транзистора 5 невелика и обратно про- 195 порциональна сопротввлению его канала !1,. Следовательно, Кы =В,/К,. Если взять цифры примера к формуле (2.1), получим значение Кы иа уровне 10, что и определяет малую крутизну наклона характеристики. Увеличить наклон реально можно, если повысить сопротивление Ям Но это нриведет к низкому быстродействию ключа, Лналогггчно строится схема полевого элемента РТЛ на п-напальном трацзнсторе (рис.
2.2, а), Здесь дан разрез и-канального волевого транзистора УТ1. По сравнению с р.канальным, у него подложка р-типа (кремний, бедный электронами), в которой сделаны легнрованием п"- областв истока и стока, обогащенные отрицательными носителями злектронамгг.
К затвору (пленка алюминия ва поверхности окисла сйОз) подключен управлвющий переключатель З!. м ггзь и.с изм, 1 агам Рнс. 2,2. Включение п.канального МОП-транзистора (а) и схема (б) для снятия его передаточной характеристики (а) Каким образом можно создать канал с р-проводимостью между п'"-областями истока и стока? Очевидно, если подать от З! высокий потенциал на затвор (относительно заземленной подлоэкки), металл затвора будет заряжен положительно, новерхность полупроводника отрицательно.
Канал на рис, 2.2, а замкнут, и от плюса источника Оя, в нулевой провод течет ток стока 1,. В отличие от рис. 2.1,а в данном случае выходное напряжение окажется па низком логическом уровне: Используя данные предыдущего примера [см. формулу (2.1)), получаем () „„=0,9 В. Есле подать на затвор через З! нулевой потенциал, низкий о уровень, и-канал разомкнется (поскольку затвор и исток будут коротко замкнуты, мехгду ними не будет разности потенциалов).
На выходе появится напряжение высокого логического уровня — потенциал О» „ точ. нее выходной провод через К, окажется соединенным с положительным полюсом источника Пороговое напряжение данного и-канального РТЛ— элемента 12" можно определить, собрав устройство (рис. 2.2, б) н сняв с его помощью передаточную характеристиху (рис. 2.2,в) элемента. 196 ~ни и.п -канал зна (гни ~аых а ио -лапал с й! авых (туз,х б) г-— !ад к Б!1 уд г угг азы (ив худ! )з Г ! ' ЛЮ! 1. '..) я) еР г) Рис.
2.3. Инвертор КМОП: о — схема хия снятия иерехохной хврвктеристикн; б — перелвточнвн хервктернстнкв; е — уоревненве ииеертором; е — звмкнут и-квненьный трензистор; д — зз. мкнут р-кеввхьный тРанзистор; е — зквнвенент выходной схемы инверторв КМО!! Увеличить быстродействие на порядок позволяет последовательное (столбиком) соедиаенне р- и и-канальиых МОП-транзисторов. Тогда резистор Й, в схеме не нухоен, а заряд и разряд паразитных нагрузочных емкостей будет происходить через относительно небольшие сопротивления р- и п.каналов йвк и ця".
Таким образом, схема цифрового ие. реключателя станет двухполюсной, аналогично выходной цепи ТТзТ-элемента. На рис. 2.3, а воказаио последовательное соединение комплементарных МОП-транзисторов: р- н п-канального. Их затворы подклгочены к движку потенциометра. Нагрузки на выходе нет. Если движок находится внизу, иа оба затвора ораву подается нулевой уровень, поэтому полностью открыт только р-каиал н разомкнут и-канал. Выходное напряжение О „=()и,в. 1 197 Как указывалось, р- н и-канальные цифровые элементы. (рис. 2.1, и и 2.2, а) сами по себе оказались непрактичвымв как базовые для массовых микросхем прежде всего нз-за низкого быстродействия. Действц. тельно, прв К.=100 кОм и емкости нагрузки Си=30 пФ время отключения составит 11'о = 2,2 Кс Сн = 6,6 мкс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
